Manual de Laboratorio de Mecanica de Suelos

LABORATORIO DE GEOTECNIA Y GEOMECANICA

GUIA DE LABORATORIO Nº 1 IDENTIFICACION VISUAL DE SUELOS 1. GENERALIDADES La caracte caracteriza rizació ción n visual visual que se realiza realiza durant durantee esta sesión de labora laborator torio, io, está orientada orientada a describir, describir, de la forma más técnica posible, posible, las principales principales características características de diferen diferentes tes tipos tipos de suelo suelo que interesan interesan a su compor comportam tamien iento. to. Incluy Incluyee su probab probable le iden identif tific icaci ación ón,, sin ayud ayudaa de ensay ensayos os de labor laborat ator orio io,, que que perm permiti itirá rá real realiza izarr una una eval evalua uaci ción ón de la que que serí seríaa su clasi clasific ficac ació ión n de suelo suelo en el Sist Sistem emaa Unif Unific icad ado o de lasificación de Suelos, sistema éste que sí requiere de ensayos de laboratorio. Una diferenciación !eneral permite separar los suelos !ranulares y los suelos finos. La denominación de suelos !ranulares corresponde a los materiales donde predominan los tama" tama"os os may mayores ores a la malla malla #S$% #S$% &'(( &'(( que que corr corresp espon onde de a (.() (.()* * mm +este +este es aproimadamente el menor tama"o de partículas individuales que el o-o umano puede alcanzar a distin!uir/, mientras que los suelos finos son aquéllos en que predominan los tama"os menores a esta malla.

2. SUELOS GRANULARES 2.1 Terminología 0ntre los suelos !ranulares, la malla #S$% & *, que corresponde a una abertura de *.)1 mm, permite separar las !ravas de las arenas2 de esta manera las !ravas se definen como las partíc partícula ulass mayore mayoress a aproi aproimad madamen amente te (.3 cm. Las !ravas !ravas se distin distin!ue !uen n entre entre !ruesas +4.5 cm y ).1 cm/ y finas +menores a 4.5 cm/. ontinuando dentro de este sistema, las arenas se dividen en !ruesas, medias y finas, dependiendo de los porcenta-es relativos que son retenidos entre la malla &* +*.)1 mm/ y la &4( +'.(( mm/, entre esta malla y la &*( +(.*'3 mm/ y entre ésta y la &'((, respectivamente. 0l término bolón se refiere a los tama"os mayores a 6 pul!adas y como el ensayo !ran !ranul ulom ométr étric ico o conv conven encio ciona nall anal analiz izaa solo solo las las part partíc ícul ulas as meno menores res a 67, 67, se ace ace indispensable evaluar en terreno +por e-emplo, en las paredes de un pozo o calicata/, el tama"o máimo +cuando éste supere las 6 pul!adas/ y el porcenta-e aproimado de bolones.

2.2 Cara!erí"!ia" Rele#an!e" $e lo" S%elo" Gran%lare" •

composición predominante del suelo y distribución de tama"os +se utilizan los términos bien !raduado y pobremente !raduado/

•

color

GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 1

LABORATORIO DE GEOTECNIA Y GEOMECANICA •

estado de umedad

•

tama"o máimo y porcenta-e de bolones

•

forma de los !ranos, ya que ello determina diferenciación de ciertas propiedades de in!eniería, tales como resistencia al corte y compresibilidad2 se utilizan términos8 partículas redondeadas, sub9redondeadas, an!ulares, sub9an!ulares

•

estado de meteorización o alteración de las partículas,

•

cantidad de finos, es decir porcenta-e en términos aproimados,

•

•

plasticidad de los finos, compacidad +esta condición solo es posible de observar en terreno para los suelos !ranulares/

•

otros, como por e-emplo, eistencia de raicillas, escombros, materiales or!ánicos, etc.

2.& E'em(lo De"ri(!i#o Lue!o de la observación detallada de los ítems anteriores, que solo interesan para la descripción visual que si!ue, ésta se epresará de acuerdo al si!uiente modelo8 :rava muy arenosa, bien !raduada, de color café claro, umedad ba-a, muy compacta, partículas de !rava sub9redondeadas2 presenta aproimadamente un '(; de bolones con un tama"o máimo de 4'<, contiene pocos finos, menos de 4(;, éstos de mediana plasticidad2 eisten al!unas !ravas aisladas muy alteradas y meteorizadas en un ; menor al 3;.

&. SUELOS FINOS &.1 I$en!i)iai*n $e S%elo" Fino" 0n :eotecnia, los suelos finos se diferencian en limos y arcillas, no por tama"o, sino por sus características plásticas. # pesar de que las arcillas son s on de menor tama"o que los limo limos, s, eis eiste ten n suel suelos os de tama tama"o "oss muy muy fino finoss que que no tien tienen en ni la form forma, a, ni las las características, ni la plasticidad, ni el comportamiento de las arcillas. #ceptando que la plasticidad de un suelo es el ran!o de umedades dentro del cual el suelo se mantiene en estado estado plásti plástico, co, se proced procedee a realizar realizar las si!uie si!uiente ntess operac operacion iones es manual manuales es para para su diferenciación y reconocimiento8 •

En"a+e $e "a%$imien!o .

Se forma una pasta omo!énea con suelo y a!ua, tal que la pasta de suelo colocada sobre la palma de la mano +constituyendo una bolita peque"a de suelo/ no se encuentre a=n en un estado semi9líquido, es decir, manten!a su forma pero cerca de este límite. Se GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 2


estado de umedad

•

tama"o máimo y porcenta-e de bolones

•

forma de los !ranos, ya que ello determina diferenciación de ciertas propiedades de in!eniería, tales como resistencia al corte y compresibilidad2 se utilizan términos8 partículas redondeadas, sub9redondeadas, an!ulares, sub9an!ulares

•

estado de meteorización o alteración de las partículas,

•

cantidad de finos, es decir porcenta-e en términos aproimados,

•

•

plasticidad de los finos, compacidad +esta condición solo es posible de observar en terreno para los suelos !ranulares/

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otros, como por e-emplo, eistencia de raicillas, escombros, materiales or!ánicos, etc.

2.& E'em(lo De"ri(!i#o Lue!o de la observación detallada de los ítems anteriores, que solo interesan para la descripción visual que si!ue, ésta se epresará de acuerdo al si!uiente modelo8 :rava muy arenosa, bien !raduada, de color café claro, umedad ba-a, muy compacta, partículas de !rava sub9redondeadas2 presenta aproimadamente un '(; de bolones con un tama"o máimo de 4'<, contiene pocos finos, menos de 4(;, éstos de mediana plasticidad2 eisten al!unas !ravas aisladas muy alteradas y meteorizadas en un ; menor al 3;.

&. SUELOS FINOS &.1 I$en!i)iai*n $e S%elo" Fino" 0n :eotecnia, los suelos finos se diferencian en limos y arcillas, no por tama"o, sino por sus características plásticas. # pesar de que las arcillas son s on de menor tama"o que los limo limos, s, eis eiste ten n suel suelos os de tama tama"o "oss muy muy fino finoss que que no tien tienen en ni la form forma, a, ni las las características, ni la plasticidad, ni el comportamiento de las arcillas. #ceptando que la plasticidad de un suelo es el ran!o de umedades dentro del cual el suelo se mantiene en estado estado plásti plástico, co, se proced procedee a realizar realizar las si!uie si!uiente ntess operac operacion iones es manual manuales es para para su diferenciación y reconocimiento8 •

En"a+e $e "a%$imien!o .

Se forma una pasta omo!énea con suelo y a!ua, tal que la pasta de suelo colocada sobre la palma de la mano +constituyendo una bolita peque"a de suelo/ no se encuentre a=n en un estado semi9líquido, es decir, manten!a su forma pero cerca de este límite. Se GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 2


procede entonces a !olpear lateralmente la palma de la mano varias veces con la otra mano. Si la muestra cambia de forma y el a!ua aflora de manera relativamente rápida a la superficie con los !olpes, podemos ase!urar que estamos frente a un limo de ba-a plasticidad. Si lo anterior no se produce, es decir, no eiste cambio de forma, f orma, ni el a!ua asoma a la superficie, estamos tratando con una arcilla de mediana a alta plasticidad. 0ntre estos dos casos, eisten suelos que se encuentran a medio camino en términos de plasticidad. >ablamos entonces de arcillas limosas o de limos arcillosos •

En"a+e $e ama"a$o

Una vez realizado el ensaye de sacudimiento, se reconstituye una bolita de suelo con parte de la pasta de suelo =meda que se tenía en la palma de la mano. Se procede a amasarla, ya sea en la palma de la mano o sobre una superficie lisa asta formar un bastoncito de suelo que alcance 6 mm de diámetro. Si el bastoncito no se rompe en varias partes partes para ese diámetro, diámetro, se vuelve a amasar la pasta con los dedos dedos y se repite la operación, tantas veces como sea necesario para que finalmente el bastoncito se rompa en varias partes al alcanzar el díámetro de 6 mm. 0l tiempo que toma esta serie de operaciones de amasado para alcanzar este estado define cuán plástico es el suelo. ?oco tiempo indica poca plasticidad, muco tiempo indica alta plasticidad. 0s conveniente siempre traba-ar sobre las mismas superficies secas +palma o placa lisa, usando por e-emplo toalla nova/ para que el proceso sea válidamente comparable. @tra información importante de este ensaye, es la resistencia que muestra el bastoncito al ser amasado, particularmente cuando la umedad está próima al límite plástico. :ran esfuerzo es fuerzo para amasar la pasta indica alta plasticidad, reducida resistencia al amasado, ba-a plasticidad. •

Brillo

Una vez alcanzada la umedad que a llevado al bastoncito a romperse en trocitos, es decir, una vez alcanzado ese estado +límite plástico/, se procede a unir con relativa fuerza la pasta asta formar un !rumo coesivo. 0n este estado se oprime la muestra contra la u"a y se observa el brillo que ella presenta en su superficie. Intenso brillo es un indicador de alta plasticidad. •

Re"i"!enia $e %na ,%e"!ra Sea

0sta observación solo se puede realizar cuando eiste la disponibilidad de una muestra de suelo secada al aire o al orno. Si una 7calu!a< de suelo secada de esta manera presenta !ran dificultad para la ruptura, se tratará de una arcilla o, lo que es lo mismo, de un suelo muy plástico.

&.2 Cara!erí"!ia" Rele#an!e" $e lo" S%elo" Fino" •

tipos de suelos predominantes, teniendo en cuenta que en casos intermedios abrá que indicar que el suelo puede ser una arcilla limosa de media a alta plasticidad o un limo muy arcilloso,

•

estado de umedad,



color +colores muy oscuros a ne!ros son indicadores de contenido or!ánico/,

•

olor +intenso olor es evidencia de suelo muy or!ánico/,

•

consistencia +solo si se tienen muestras en su condición natural, es decir, inalteradas o se realiza la identificación en terreno, por e-emplo, en las paredes de una calicata/,

•

otros, raicillas, etc.

&.& E'em(lo De"ri(!i#o #rcilla limosa, al!o arenosa, de alta a mediana plasticidad, de color café oscuro, muy =meda a saturada, consistencia media a alta, presenta al!unas raicillas dispersas.



GUIA DE LABORATORIO Nº 2 ANALISIS GRANULO,ETRICO - ESO ESEC/FICO I.

AN0LISIS GRANULO,TRICO

I.1

De)iniione"

0l análisis !ranulométrico de una muestra de suelo consiste en determinar la proporción relativa en peso de los diferentes tama"os de !ranos, definidos por las aberturas de las mallas utilizadas.

I.2

E%i(o 4. Serie de mallas #S$% '. Aalanzas de diferente sensibilidad

I.&

#bertura

#bertura

%alla

FmmG

%alla

FmmG

6H ' 4B'H 'H 4 4B'H 4H 6B*H 4B'H 6BCH

)3.( 16.( 3(.( 6).3 '3.( 45.( 4'.3 5.3

&* &C & 4( & 6( & *( & 3( & 4(( & '((

*,)3( ',61( ',((( (,1(( (,*'3 (,6(( (,43( (,()*

roe$imien!o + C3l%lo" 4/ pasar la muestra seca de suelo por la malla 6BC< y separar el material que pasa esta malla, a fin de determinar el porcenta-e de finos de forma confiable posteriormente, '/ pasar el material retenido en la malla 6BC< por las mallas 6<, ' D<, '<, 4 D<, 4<, E<, D< y 6BC< y pesar las porciones de material retenido en cada una de ellas, 6/ mezclar omo!éneamente el material que pasó por la malla 6BC< y tomar una muestra representativa se!=n indicación del instructor, */ colocar la muestra obtenida en etapa +6/ sobre la malla &'(( y lavar el material, utilizando a!ua com=n, de tal manera que el a!ua arrastre los finos aciéndolos pasar por esta malla, asta que el a!ua que pasa a través de la malla manten!a su transparencia, 3/ verter cuidadosamente el residuo, en un recipiente desecador y permitirle sedimentar por un período de tiempo suficiente asta lo!rar que el a!ua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente, eliminar esta a!ua GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 5


transparente y colocar el recipiente con la suspensión suelo y a!ua remanentes en el orno para secado, 1/ al día si!uiente, re!resar al laboratorio y pesar el residuo secado al orno o, en su defecto, el instructor les entre!ará otras indicaciones, )/ finalmente, pasar la muestra +lavada y seca/ por las mallas &* a la &'((, re!istrando el peso retenido en cada malla. La información obtenida del análisis !ranulométrico se presenta en un !ráfico semi9 lo!arítmico como el indicado en la fi!ura donde en abscisas se indican los diámetros de partículas y en ordenadas el porcenta-e en peso que pasa.

100 90 80 70 60 50 40 30

] # [ a " a p e u ! e  a t n e c r o P

20 10 0 0,01

0,1

1

10

Diámetro de partícula [mm]

# partir de la curva de distribución !ranulométrica, se pueden obtener diámetros característicos tales como el 4(, 6(, 1(. 0l diámetro  se refiere al tama"o de partículas y el subíndice denota el porcenta-e de material que pasa. ?or e-emplo 4( J (.43 mm si!nifica que el 4( ; de los !ranos de la muestra son menores en diámetro que (.43 mm. 0l diámetro  4( es también llamado diámetro efectivo del suelo. Una indicación de la variación o ran!o del tama"o de los !ranos presentes en una muestra se obtiene mediante el coeficiente de uniformidad U, utilizado en la lasificación Unificada, USS, el que está definido como8 C U

=

D1( D4(

0n realidad, debiera llamarse coeficiente de desuniformidad, ya que un valor creciente de este parámetro indica que los diámetros 1( y 4( difieren en tama"o GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 6


apreciablemente, es decir, el suelo tiene tama"os no uniformes. Sin embar!o, esto no ase!ura la ineistencia de vacíos de !radación, como el que se presenta cuando faltan un cierto tipo de tama"os por completo o solamente eiste una muy peque"a cantidad de diámetros de un determinado tama"o. 0iste otro parámetro llamado coeficiente de curvatura , el cual mide la forma de la curva entre el  1( y el  4(, definiéndose de la si!uiente manera8 '

C C

=

D6( D4( ⋅ D1(

Kalores de  muy diferentes de la unidad indican la falta de una serie de diámetros entre los tama"os correspondientes al 4( y el  1(. 9 Suelos de grano grueso  3( ; queda retenido en la malla & '(( +(.()* mm/ •

%ás de la mitad de la fracción !ruesa es retenida por la malla & * +*.)3 mm/ 

fracción fina M 3 ;8 :N, :? se!=n  U y 



fracción fina  4' ;8 :%, : se!=n carta de plasticidad



fracción entre 3 ; y 4' ;8 Símbolos dobles. 0-8 :N9:, mezcla bien !raduada de arena y !rava en una matriz arcillosa.

•

%ás de la mitad de la fracción !ruesa pasa por la malla & * +*.)3 mm/ 

fracción fina M 3 ;8 SN, S? se!=n  U y 



fracción fina  4' ;8 S%, S se!=n carta de plasticidad



fracción entre 3 ; y 4' ;8 Símbolos dobles.

9 Suelos de grano fino  3( ; pasa por la malla & '(( +(.()* mm/ 

arta de plasticidad

II4 De!erminai*n $el e"o E"(eí)io II.1. O5'e!i#o4 eterminación del peso específico de un suelo. 0l peso específico se define como el cociente entre el peso de un volumen determinado de la muestra, y el peso del a!ua de este mismo volumen a *O .

II.2 ,a!eriale"4 ?icnómetro, a!ua destilada, termómetro, balanza, orno. II.&4 roe$imien!o4 GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 7


4. Se toma peso del suelo seco a ensayar. '. Se llena un picnómetro asta una marca y se pesa. 6. Se ace una mezcla de suelo con a!ua destilada y se a!re!a a el mismo picnómetro, vaciado. Se a!re!a a!ua destilada para lle!ar al mismo nivel anterior *. Se toma el peso del picnómetro y la temperatura del a!ua. 3. Se realizan cálculos para determinar el peso específico.

II.64 An3li"i". 0n base a los datos obtenidos, se determina el volumen del sólido y lue!o la !ravedad especifica del sólido. atos de onfección ensidad del a!ua

KsJ+N'PN69N4/BQ a!ua

?eso picnómetro P a!ua P suelo, N4

:sJ+N6BKs/BQ a!ua

?eso picnómetro P a!ua, N'

QdJN6BKs

?eso suelo seco , N6 $emperatura del a!ua Kolumen del Solido Ks ensidad seca del sólido, Qd

GUIA DE LABORATORIO Nº & LI,ITES DE ATTERBERG I.

LI,ITES DE ATTERBERG

I.1

Generali$a$e"



Los límites de #tterber! son ensayos de laboratorio normalizados que permiten obtener los límites del ran!o de umedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico. on ellos, es posible clasificar el suelo en la lasificación Unificada de Suelos +Unified Soil lassification System, USS/ y también en la lasificación de la ##S>$@ de carreteras. 0s válida para suelos finos y para la porción de finos de suelos !ranulares. Son al!unas de las propiedades índices de estos suelos. Rueron ori!inalmente ideados por un sueco de nombre #tterber! especialista en a!ronomía y posteriormente redefinidos por asa!rande para fines de mecánica de suelos de la manera que oy se conocen. ?ara obtener estos límites se requiere remoldear +manipular/ la muestra de suelo destruyendo su estructura ori!inal y por ello es que una descripción del suelo en sus condiciones naturales es absolutamente necesaria y complementaria. ?ara realizar los límites de #tterber! se traba-a con todo el material menor que la malla &*( +(.*' mm/. 0sto quiere decir que no solo se traba-a con la parte final del suelo +M malla &'((/, sino que se incluye i!ualmente la fracción de arena fina.

I.2

De)iniione" a/ Contenido de humedad (w): azón entre peso del a!ua y peso del suelo seco de una muestra. Se epresa en porcenta-e8 w

=

W W W S

• 4((

donde8 NN8 peso a!ua NS8 peso suelo seco b/ Límite Líquido (w L ó LL): contenido de umedad del suelo en el límite entre el estado semi9líquido y plástico. c/ Limite Plástico (w p ó LP): es el contenido de umedad del suelo en el límite entre los estados semi9sólido y plástico. d/ ndice de Plasticidad (!P): es la diferencia entre los límites líquido y plástico, es decir, el ran!o de umedad dentro del cual el suelo se mantiene plástico8

!P J w L " w P

I.&

E%i(o 4. %áquina de asa!rande +referencia8 norma #S$% TO  *64C953a/ '. #canalador +misma referencia/



6. Aalanza de sensibilidad (.4! *. Karios8, espátula de acero fleible, cápsulas de porcelana, placa de vidrio, orno re!ulable a 44(O, a!ua destilada.

I.6

roe$imien!o + C3l%lo

a# Preparación del material# Se utiliza =nicamente la parte del suelo que pasa por la malla & *( +(.*' mm/. Si la muestra contiene tama"os mayores que (.*' mm, se deben eliminar los tama"os mayores evitando todo eceso de secamiento de la muestra +sea en el orno o en el aire/. Se procede a a!re!ar o retirar a!ua se!=n sea necesario, revolver la muestra asta obtener una pasta semi9líquida omo!énea en términos de umedad. ?ara los limos y suelos arenosos con poco contenido de arcilla el ensayo se podrá realizar inmediatamente después de a!re!ar a!ua, si!uiendo el procedimiento indicado en letra b. ?ara los limos arcillosos será necesario conservar la pasta aproimadamente * oras en un recipiente cubierto. ?ara las arcillas este tiempo deberá aumentarse a 43 o más oras para ase!urar una umedad uniforme de la muestra.

$# %eterminación del límite líquido# 0n la práctica, el límite líquido se determina sabiendo que el suelo remoldeado a w & w L tiene una peque"a resistencia al corte +apro. (.(' !Bcm'/ de tal modo que la muestra de suelo remoldeado necesita de '3 !olpes para cerrar en D pul!ada dos secciones de una pasta de suelo de dimensiones especificadas más adelante. 4/ se deberá iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cápsula de porcelana con una umedad li!eramente superior al límite líquido, para lo cual recibirán indicaciones del instructor, '/ desmontar y secar la cápsula de la máquina de asa!rande, ase!urándose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento, 6/ montar la cápsula en su posición para el ensayo, */ colocar entre 3( y )( ! de suelo =medo en la cápsula, alisando la superficie a una altura de 4 cm con la espátula, cuidando de no de-ar burbu-as de aire en la masa de suelo, 3/ usando el acanalador separar el suelo en dos mitades se!=n el e-e de simetría de la cápsula2 para una arcilla, el surco se puede acer de una vez2 los limos pueden ei!ir ' o 6 pasadas suaves antes de completarlo, siendo este procedimiento a=n más comple-o cuando se trata de suelos or!ánicos con raicillas, 1/ !irar la manivela de manera uniforme a una velocidad de dos revolucionesBse!2 continuar asta que el surco se cierre en D< de lon!itud2 anotar el n=mero de !olpes, cuando éste sea inferior a *(, GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 10


)/ revolver el suelo en la cápsula de asa!rande con la espátula y repetir las operaciones 3/ y 1/, asta que la diferencia entre los n=meros de !olpes para dos ensayos sucesivos no sea superior a 4 +para suelos especiales se pueden aceptar mayores diferencias/2 una diferencia mayor revela, por lo !eneral, una falta de uniformidad en el contenido de umedad, C/ tomar una muestra de aproimadamente 3 ! de suelo en la zona donde se cerró el surco y pesarla de inmediato para obtener su contenido de umedad, lo que permitirá obtener un punto en el !ráfico semi9lo!arítmico de umedad vs n=mero de !olpes que se describe más adelante, 5/ vaciar el suelo de la cápsula de asa!rande a la de porcelana +que todavía contiene la mezcla de suelo inicial/, continuar revolviendo el suelo con la espátula +durante el cual el suelo pierde umedad/ y en se!uida repetir las etapas +'/ a +C/, 4(/ repetir etapas +'/ a +5/, 6 a * veces, asta lle!ar a un n=mero de !olpes de 43 a '(.

Cálculo de w L # Sobre un papel semi9lo!arítmico se construye la 7%r#a $e )l%'o8 como se indica en la fi!ura. Los puntos obtenidos tienden a alinearse sobre una recta lo que permite interpolar para la determinación de la ordenada VL para la abscisa T J '3 !olpes.

No!a4 ,9!o$o $e %n (%n!o. Se puede obtener el valor de V L a través de una sola determinación. 0ste método es válido para suelos de mismo tipo y formación !eoló!ica2 se a observado que tales suelos tienen curvas de flu-o de i!uales inclinación, en escala semi9lo!. Se usa la fórmula8 tanα

w L

N  = w ×     '3 

donde8 GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 11


W J inclinación curva de flu-o +escala semi9lo!/ T J n=mero de !olpes V J contenido de umedad correspondiente a T. +valores comunes de t!W 8 (.4' a (.46/

c# %eterminación del límite plástico w P 0l límite plástico es el contenido de umedad para el cual el suelo se fractura al ser amasado en bastoncitos de diámetro 4BC< +6 mm/ cuando se amasa una peque"a porción de suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa. 4/ utilizar una porción del material que queda del ensayo del límite líquido, '/ en los suelos muy plásticos w P puede ser muy diferente de w L2 para evitar ecesivas demoras en el ensayo con los suelos muy plásticos, es necesario secar el material al aire durante un cierto tiempo etendiéndolo sobre la placa de vidrio o amasándolo sobre toalla nova2 se le puede i!ualmente colocar sobre el orno +a temperatura ba-a/, al sol, o bien ba-o una ampolleta eléctrica2 en cualquier caso es necesario ase!urarse que se seque de manera uniforme, 6/ tomar una bolita de suelo de 4 cm6 y amasarla sobre el vidrio con la palma de la mano asta formar bastoncitos de 6 mm de diámetro, */ reconstruir la bolita de suelo, uniendo el material con fuerte presión de las puntas de los dedos y amasar nuevamente un bastoncito asta lle!ar al límite plástico, 3/ el límite plástico, w P , corresponde al contenido de umedad para el cual un bastoncito de 6 mm, así formado, se rompe en trozos de (.3 a 4 cm de lar!o, si no se está se!uro de aber alcanzado w P, es recomendable amasar una vez más el bastoncito, 1/ pesar inmediatamente el bastoncito así formado para determinar su contenido de umedad, )/ realizar ' o 6 ensayos repitiendo etapas +6/ a +1/ y promediar2 diferencias entre ' determinaciones no deberán eceder a ' ;.



GUIA DE LABORATORIO Nº 6 DETER,INACION DE LA DENSIDAD RELATIVA I. DENSIDAD RELATIVA I.1. Generali$a$e" La densidad relativa es una propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en !ravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que (.()* mm. +malla & '((/. La densidad relativa indica el !rado de compactación del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados. GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 13


Se!=n la norma cilena, el porcenta-e de finos no debe sobrepasar un 4'; para que la densidad relativa sea aplicable. ?ara mayores contenidos de finos se utiliza por tanto el ensayo de compactación. La razón de esta limitación reside en la ineficacia del procedimiento de vibrado utilizado en la determinación de la densidad máima. 0n casos límites, se recomienda realizar, tanto el ensayo de densidad relativa como el de compactación, cuando el porcenta-e de finos se encuentra entre 4( y 4';, conservando los resultados del me-or de ellos. >ay que acer notar que el ensayo de densidad relativa puede ser válido en suelos que superan el contenido de finos indicado cuando éstos no poseen plasticidad al!una, como es el caso de al!unos materiales de relaves +residuos de la liiviación de minerales, por e-emplo, de cobre/ y finos tales como el polvo de roca. La densidad relativa tiene !ran aplicación en !eotecnia debido a las correlaciones que eisten con otros parámetros de in!eniería tales como el án!ulo de roce interno y la resistencia a la penetración de cucara normal. ?or otra parte, mucas fórmulas que permiten estimar los asentamientos posibles de estructuras fundadas sobre suelos !ranulares, están basadas en la densidad relativa. 0isten sin embar!o dificultades para determinar la densidad relativa en suelos !ranulares de !randes tama"os. Xa que la obtención de muestras inalteradas en suelos !ranulares resulta impracticable, a menos que ellas sean obtenidas por procedimientos tan especiales y costosos como el con!elamiento, la densidad relativa adquiere importancia porque permitiría reproducir esta condición de estado en el laboratorio.

De)inii*n La densidad relativa, epresada en porcenta-e, es el !rado de compacidad de un suelo referido a sus estados más suelto y más denso, los que se obtienen si!uiendo los procedimientos de laboratorio que se indican más adelante. Se epresa a través de la si!uiente fórmula8

onde8

e8 índice de uecos VV 8 Kolumen de vacíos VS 8 Kolumen de sólidos

ebido a que el parámetro de estado que se determina en terreno es la densidad =meda, , y a través de ella, la densidad seca, d, la misma fórmula conviene epresarla en función de las densidades secas de los distintos estados, como se presenta a continuación8 GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 14


ebe observarse que a γd max corresponde emin y que a γd min corresponde emax. e la definición se desprende que la densidad relativa varía entre (; +cuando eJemax ó γd=γdmin/ y 4((; +cuando eJemin ó γd=γdmáx/. 0l cálculo de la densidad relativa de un suelo natural o relleno artificial requiere, de acuerdo a la fórmula, de las si!uientes determinaciones8 a/ densidad seca del suelo in situ que puede ser de un suelo natural o de un material de relleno que está siendo compactado2 la dificultad en la determinación de la densidad seca reside en la determinación del volumen ocupado por el suelo in situ, para lo cual eisten diversos métodos2 entre ellos, el método del cono de arena que es el de uso más frecuente y que corresponde a una determinación de la densidad realizada en terreno +se detalla en un ítem aparte en esta !uía/. b/ densidad máima seca2 es una determinación que se realiza en laboratorio2 el procedimiento más utilizado es el método de mesa vibradora que tiene dos variantes8 %étodo seco y =medo2 por razones de tiempo, usaremos un método seco basado en el método -aponés. c/ densidad mínima seca2 es una determinación que se realiza en laboratorio.

DETER,INACION DE LAS DENSIDADES ,A:I,A - ,INI,A E%i(o" •

%olde patrón de compactación o molde de volumen calibrado.

•

0quipo de vibración manual o mecánica.

roe$imien!o + C3l%lo A. ara la Den"i$a$ ,3;ima 4. ada !rupo debe tomar una muestra de suelo !ranular previamente secada al orno, ase!urándose de desacer los !rumos que pudieran todavía eistir antes de utilizar el material. '. Utilizar el mismo molde para la determinación de la densidad máima y mínima.



6. 0l procedimiento a se!uir en el ensayo de densidad máima a realizar en esta sesión es el método -aponés8 +a/ se coloca el material en el molde patrón en 4( capas, aplicando con un martillo 4(( !olpes por capa a los lados del molde +de acuerdo con las indicaciones del instructor/, +b/ después de cada ensayo, volver a mezclar cuidadosamente el suelo que aya quedado en el recipiente antes de realizar el si!uiente ensayo, +c/ realizar tres ensayos para cada determinación de densidad máima. *. onocido el volumen y peso del recipiente, obtener el peso neto del suelo y determinar la densidad. 3. Utilizar la densidad máima obtenida en estas tres determinaciones como la densidad máima del suelo +no el promedio de las tres determinaciones/.

B. ara la Den"i$a$ ,ínima 4. 0l suelo secado al orno y sin !rumos se coloca en el molde distribuyéndolo con un movimiento circular cuidadoso2 se debe vaciar suficiente material de tal manera que sobresal!a levemente del molde y lue!o, con una re!la, se debe retirar el eceso de material con el máimo cuidado2 se obtiene el peso neto del suelo. '. Se repite dos veces el ensayo. Utilizar la menor densidad obtenida como valor de la densidad mínima del suelo.

II. DETER,INACI
,9!o$o $el Cono $e Arena



Fig%ra 14 E%i(o $el ono $e arena 0l cono de arena consiste de un recipiente cilíndrico de metal que contin=a acia aba-o con un doble cono, es decir, simétrico con respecto a la válvula, acompa"ado de una placa metálica con una abertura al centro circular de i!ual diámetro que la base invertida del cono. 0n terreno, se ecava un a!u-ero de aproimadamente 4'94* cm. de profundidad y un diámetro i!ual a la abertura circular de la placa, la que se coloca orizontalmente sobre la superficie. 0sta placa, que tiene rebordes, permite ase!urar que no se pierda material en el proceso de ecavación, material que deberá ser pesado para obtener WT; su umedad, w, deberá ser determinada para obtener el peso total seco NS.

>abiendo determinado el peso del total de la 7arena normal< +W 4/, se coloca sobre el a!u-ero abriéndose la válvula. Una vez que el a!u-ero y el cono inferior se llenan de 7arena normal<, se determina el peso de la arena no utilizada +W '/, de modo que8

onde

W 6 J peso de la arena para llenar el a!u-ero y el cono inferior.

0l volumen del ueco ecavado se determina aora como8

onde

W c J peso de la arena para llenar =nicamente el cono inferior. γd +arena/ J peso unitario seco de la arena normalizada.

Los valores de W c y d+arena/ son determinados a partir de la calibración eca en laboratorio. Rinalmente, el peso unitario seco del suelo in situ se determina a través del peso unitario =medo8

on

W $8 ?eso del suelo =medo.



V ueco8 Kolumen del ueco. on el contenido de umedad V del material ecavado, el peso unitario seco del material es8

E%i(o •

ono de arena

•

>erramientas para ecavar

•

Aalanza

•

#rena normalizada

•

Aolsas plásticas

roe$imien!o 4. ada !rupo debe acer el ensayo de densidad por el cono de arena en el área desi!nada por el instructor. '. #ntes de colocar la placa sobre el sitio a ensayar, es importante ase!urar que la superficie de la zona de ecavación se encuentre plana y lisa2 ecavar un a!u-ero utilizando la placa de base y colocar cuidadosamente todo el suelo removido del a!u-ero en una de las bolsas, ase!urándose que no eista pérdida de material. 6. olocar el cono lleno de arena 9 evitando derramarla 9 sobre el a!u-ero de la placa, verificando que la válvula se encuentre cerrada2 abrir la válvula permitiendo que la arena rellene el volumen asta detenerse la caída de material2 cerrar la válvula y !uardar la arena retenida en el cono superior en la bolsa con la arena no utilizada2 recuperar la arena del a!u-ero !uardándola en otra bolsa. *. estituir la zona donde se traba-ó a sus condiciones iniciales. 3. e!resar al laboratorio #eri)ian$o %e !o$a" la" (ar!e" $el e%i(o %!ili=a$o

>a+an

"i$o re%(era$a"? 1. ?esar el suelo ecavado y la arena retenida en el cono de arena2 tomar una muestra de suelo para determinar la umedad, pesarla y llevarla al orno, ). 0n U9ursos se publicará el peso del suelo secado al orno.

III. ESO UNITARIO DE SUELOS CO@ESIVOS Generali$a$e" GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 18


0l procedimiento para obtener el peso unitario de suelos coesivos se basa en el principio de #rquímedes, a través del cual el volumen de una muestra se determina por el volumen de a!ua que desplaza. ?ara evitar la absorción de a!ua, la muestra es impermeabilizada con una del!ada película de cera líquida.

E%i(o •

Rrasco de vidrio de volumen !raduado

•

Aalanza con precisión de (.4 !

•

era

roe$imien!o 4. ?esar la muestra de suelo. '. ubrir enteramente la muestra con cera líquida. 6. Una vez seca la cera, se vuelve a pesar +por diferencia de pesos se tiene el peso de la cera/. *. olocar a!ua en el frasco !raduado y re!istrar el volumen inicial. 3. Sumer!ir la muestra de suelo con cera en el a!ua y medir el volumen. 1. onocida la densidad de la cera y su peso se calcula el volumen de la cera. ). escontar este volumen al volumen total para obtener el volumen del suelo. C. $omar una muestra de suelo, pesarla y llevarla al orno. 5. 0l peso seco del suelo será publicado en U9ursos.

IV. REGUNTAS 0stas pre!untas no necesitan responderlas en el informe. 0stán aquí planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control. 4. YZué validez tendría el ensayo de  en suelos finos si se si!uen los procedimientos indicados en esta !uía[ 0plicar '. YZué tipos de suelo no pueden ser determinados válidamente a través del método del cono de arena[ 6. YAa-o qué condiciones es posible realizar el ensayo de determinación de peso unitario de suelos coesivos sin necesidad de recubrimiento[

V. BIBLIOGRAF/A 4. 0art %anual, Aureau of eclamation, enver olorado, 4516 GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 19


'. #S$% Standards, Aituminous %aterials, Soils, Sid esistence ?art 44. 6. %anual de Laboratorio de Suelos en In!eniería ivil, AoVles \osep 0. Aiblioteca II0%

GUIA DE LABORATORIO Nº  CO,ACTACI
ENSA-O DE CO,ACTACION

Generali$a$e" 0l propósito de un ensayo de compactación en laboratorio es determinar la curva de compactación para una determinada ener!ía de compactación y orientar con ello la compactación de este suelo en terreno. La curva de compactación lleva en abscisas el contenido de umedad y en ordenadas la densidad seca y revela la efectividad de una misma ener!ía +por unidad de volumen de suelo/ sobre un mismo suelo a diferentes contenidos de umedad. # partir de ella, se podrá obtener la umedad óptima que es la que produce la densidad máima. ?ara cumplir con las condiciones de terreno, un ensaye de laboratorio debe considerar un tipo de compactación similar a la desarrollada en la obra con los equipos de compactación a especificar. 0l a!ua -ue!a un papel importante, especialmente en los suelos finos. >ay que acer notar que cuando ablamos en este párrafo de suelos finos, no estamos refiriéndonos a GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 20


suelos que conten!an más de un 3(; de finos, sino a suelos cuya fracción fina sea superior a C; en el caso de !ravas y 4'; en arenas +>oltz 45)6/. 0stos límites separan los suelo para los cuales se aplicarán especificaciones en términos de densidad relativa de aquéllos donde el ensayo de compactación será el que finalmente controlará la compactación. 0l a!ua en poca cantidad, se encuentra en forma capilar produciendo tensiones de compresión entre las partículas constituyentes del suelo que llevan a la formación de !rumos difíciles de desinte!rar y que terminan por dificultar la compactación. %irado desde un punto de vista físico9químico, se produce una tendencia a la floculación entre las partículas arcillosas, lo que produce uniones entre partículas difíciles de romper. 0l aumento del contenido de umedad ace disminuir la tensión capilar ] y a nivel físico9 químico facilita la separación de las partículas al desarrollar la repulsión a través de el aumento de las doble capas 9 aciendo que una misma ener!ía de compactación produzca me-ores resultados en el !rado de consistencia del suelo, representado por un menor índice de vacíos y un mayor peso unitario seco. Sin embar!o, si el a!ua pasa a eistir en una cantidad ecesiva, ella dificultará el desplazamiento de las partículas de suelo ] debido a la ba-a permeabilidad del suelo y por ende a la dificultad de su eliminación 9 produciendo una disminución en la eficiencia de la compactación. 0n consecuencia, eistirá para un determinado suelo fino y para una determinada ener!ía de compactación, una umedad óptima para la cual esta ener!ía de compactación producirá un material con densidad seca máima. #l compactar un suelo se persi!ue lo si!uiente8 +a/ disminuir futuros asentamientos +b/ aumentar la resistencia al corte +c/ disminuir la permeabilidad ?ara ase!urar una buena compactación deberán realizarse cancas de prueba en terreno que permitan definir los equipos de compactación más adecuados, los espesores de capa y el n=mero de pasadas para cumplir con la densidad seca especificada. 0l control de la obra final se realizará a través de determinaciones de los parámetros densidad =meda y contenido de umedad de los rellenos colocados, los que permiten calcular la densidad seca. Las especificaciones para la compactación en terreno ei!en satisfacer como mínimo un porcenta-e de la densidad máima obtenida en el ensayo de compactación. Una práctica com=n en numerosas obras es ei!ir el 53; del ?roctor %odificado, que quiere decir que todas las densidades secas deberán estar por encima del 53; de la densidad seca máima obtenida en el ensayo de laboratorio.

De)iniione" 0n 4566, .. ?roctor definió el ensayo conocido como ?roctor 0stándar, el cual consiste en tomar una muestra de 6 ! de suelo, pasarla por el tamiz & *, a!re!arle a!ua +o en al!unos casos de-arla secar al aire/ y compactar este suelo bien mezclado en un GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 21


molde de 5** cm 6 en tres capas con '3 !olpes por capa de un martillo de compactación de '*.3 T con altura de caída de (.6(3 m. 0sto proporciona una ener!ía nominal de compactación de 356.) \Bm6. uando el ensayo incluye el reuso del material, el suelo es removido del molde y se toman muestras para determinar el contenido de umedad para lue!o desmenuzarla asta obtener !rumos de tama"o máimo aproimado al tamiz & *. Se procede entonces a a!re!ar más a!ua, se mezcla y se procede a compactar nuevamente el suelo en el molde. 0sta secuencia se repite un n=mero de veces suficiente para obtener los datos que permitan dibu-ar una curva de densidad seca versus contenido de umedad con un valor máimo en términos de densidad seca, y suficientes puntos a ambos lados de éste. La ordenada de este dia!rama se conoce como la densidad máima, y el contenido de umedad al cual se presenta esta densidad se denomina umedad óptima. urante la Se!unda :uerra %undial, los nuevos y pesados aviones pasaron a ei!ir densidades de subrasante en las aeropistas, mayores que el 4(( ; del ?roctor 0stándar. Se introdu-o entonces el ensayo de compactación modificado +?roctor %odificado, ensayo modificado ##S>$@, o ensayo de compactación modificado/ en el que se utiliza una mayor ener!ía de compactación. Las características básicas del ensayo son las mismas del ensayo estándar de compactación. 0l ensayo de compactación modificado aplica una ener!ía nominal de compactación al suelo de ')4( \Bm 6 lo que representa cerca de 3 veces la ener!ía de compactación del ensayo estándar produciendo un incremento entre un 3 y un 4( ; de la densidad y una disminución en la umedad óptima. $oda curva de compactación estará siempre por deba-o de la curva de saturación, S J 4((; la que puede ser !raficada en la curva de compactación una vez conocido el peso específico de los !ranos, : s. 0n el mismo !ráfico se pueden incluir las curvas para S J 5( y C( ;. La curva S J 4((; se obtiene calculando, para cualquier contenido de umedad V, su peso unitario seco8 γ d

=

GS ⋅ γ w 4 + ω ⋅ GS

donde8 :S8

densidad de los sólidos

QV8

peso unitario del a!ua

V8

contenido de umedad

La densidad seca la podemos epresar en función de la densidad =meda y el contenido de umedad8



γ d

=

γ t 4 + ω

donde8 Qt8

densidad =meda

V8

contenido de umedad

Las curvas para otros !rados de saturación, pueden ser fácilmente calculadas.

E%i(o •

molde de compactación con base y collar

•

martillo de compactación

•

latas para contenido de umedad

•

espátula metálica

roe$imien!o ro!or ,o$i)ia$o 4. ada !rupo debe tomar ) ! +peso nominal/ de suelo secado al aire, desmenuzado para que pase a través del tamiz & *2 lue!o debe ser mezclado con la cantidad de a!ua necesaria para alcanzar el contenido de umedad basado en porcenta-e de peso seco2 la umedad deberá ser, para este primer ensayo, aproimadamente un * a 3 ; menor que la umedad óptima estimada2 debe quedar claro que el suelo y el a!ua en un ensayo deberían mezclarse con anterioridad y de-arse curar o macerar 9 para ase!urar su distribución omo!énea 9 durante '* oras cuando se traba-a con suelos cuyos finos sean plásticos2 sin embar!o, en esta sesión de laboratorio para estudiantes, esta etapa podrá omitirse. '. ?esar el molde de compactación, sin incluir la base ni el collar. 6. %edir las dimensiones internas del molde de compactación para determinar su volumen. *. ompactar el suelo en 3 capas aplicando 31 !olpes sobre cada una +para molde !rande/2 se debe procurar que la =ltima capa quede por sobre la altura del molde de compactación2 en caso que la superficie de la =ltima capa quedara ba-o la altura del molde, se debe repetir el ensayo2 se debe evitar además que esta =ltima capa eceda en altura el nivel del molde en más de 1 mm ya que al enrasar se estaría eliminando una parte si!nificativa del material compactado, disminuyendo la ener!ía de compactación por unidad de volumen. 3. etirar cuidadosamente el collar de compactación, evitar !irar el collar2 en caso que se encuentre muy apretado, retirar con espátula el suelo que se encuentra aderido a



los bordes por sobre el nivel del molde2 finalmente enrasar perfectamente la superficie de suelo a nivel del plano superior del molde. 1. ?esar el molde con el suelo compactado y enrasado. ). 0traer el suelo del molde y tomar una muestra representativa para determinar el contenido de umedad. C. esmenuzar el suelo compactado y mezclarlo con suelo a=n no utilizado2 a!re!ar un '; de a!ua +en relación a los ) !/ y repetir los pasos * a C2 realizar la cantidad de ensayos que el instructor indique, suficientes para obtener una cantidad de puntos que permita determinar la umedad óptima y la densidad máima. 5. Kolver posteriormente al laboratorio para obtener los pesos secos de las muestras de umedad.

C3l%lo" alcular el peso unitario seco y acer un !rafico de Q d versus contenido de umedad. ibu-ar en este !ráfico la curva de saturación2 si no se conoce : S, suponer que la densidad saturada correspodiente a la umedad óptima es 3 ; mayor que la densidad máima seca2 con este valor calcular el valor de : S2 la curva de saturación en nin!=n caso debe interceptar la curva de compactación2 en caso que esto suceda, incrementar en un 4 ; adicional el valor de la densidad saturada asta ase!urar que la curva de saturación pase por sobre la de compactación.



Gr3)io 1. C%r#a ro!or $e $en"i$a$ "ea #" >%me$a$. II. ENSA-O DE LA RELACION DE SOORTE CALIFORNIA CBR Generali$a$e" To basta con especificar el !rado de compactación de un suelo. os suelos diferentes alcanzarán no solo densidades secas y umedades óptimas diferentes en el ensayo de compactación, sino que el material, al estar constituido por partículas diferentes, tendrá un comportamiento en términos de in!eniería diferente. ?or ello, se ace necesario un parámetro adicional que considere la capacidad de soporte del suelo en sí mismo para esas condiciones de compactación. 0l ensayo de soporte de alifornia fue desarrollado por la ivisión de arreteras de alifornia en 45'5 como una forma de clasificar la competencia de un suelo a ser utilizado como subrasante o material de base en construcción de carreteras. 0l ensayo A +la #S$% denomina el ensayo simplemente un ensayo de relación de soporte/ mide la resistencia al corte de un suelo ba-o condiciones de umedad y densidad controladas. 0l ensayo permite obtener un n=mero asociado a la capacidad de soporte.

De)iniione" 0l A es la relación de la car!a unitaria +por pul!ada cuadrada/ proporcionada por un vásta!o de sección circular para lo!rar una cierta profundidad de penetración dentro de la muestra de suelo +compactada a un contenido de umedad y densidad dadas/ con respecto a la car!a unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado de ecelente calidad. 0n forma de ecuación, esto se puede epresar como8 CBR

=

car!a unitaria del ensayo car!a unitaria patrón

× 4(( +;/

Los ensayos de A se aplican usualmente sobre muestras compactadas al contenido de umedad óptimo para el suelo determinado utilizando el ensayo de compactación estándar +o modificado/. # menudo se compactan dos moldes de suelo8 uno para penetración inmediata y otro para penetración después de de-arlo saturar por un periodo de 51 oras2 este =ltimo se sobrecar!a con un peso similar al del pavimento pero en nin!=n caso menor que *.3 !. 0s necesario durante este periodo tomar re!istros de epansión para tiempos esco!idos. 0n ambos ensayos, se coloca una sobrecar!a sobre la muestra de la misma ma!nitud de la que se utiliza durante el ensayo de epansión. 0l ensayo sobre la muestra saturada cumple dos propósitos8



+a/ proporcionar información sobre la epansión esperada en el suelo ba-o la estructura de pavimento cuando el suelo se sature, +b/ obtener indicación de la pérdida de resistencia debida a la saturación en terreno. 0l ensayo de penetración se lleva a cabo en una máquina de compresión utilizando una velocidad de deformación unitaria de 4.') mmBmin. Se toman lecturas de car!a versus penetración cada (.1* mm de penetración +(.('3
0quipo de A8 o

%olde de compactación +con collar y base/

o

isco espaciador

•

%artillo de compactación

•

#parato para medir la epansión con deformímetro de carátula con precisión de (.(4 mm

•

?esos para sobrecar!a

•

%áquina de compresión equipada con pistón de penetración A capaz de penetrar a una velocidad de 4.') mmBmin

roe$imien!o ?ara muestras en !eneral8 4. ?reparar una muestra de suelo de !rano fino +en cantidad suficiente para acer 1 probetas/ menor que el tamiz & *, al contenido de umedad óptima del suelo determinado con el ensayo de ?roctor %odificado. '. #ntes de compactar el suelo en los moldes, tomar una muestra representativa para determinar su contenido de umedad +por lo menos 4(( ! si el suelo es de !rano fino/. 6. ?esar los moldes sin su base ni el collar. *. ?ara cada molde a-ustar el molde a la base, insertar el disco espaciador en el molde y cubrirlo con un disco de papel filtro. GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 26


3. Rabricar 1 probetas de 3 capas cada una8 ' de 4' !olpes por capa, ' de '1 !olpes por capa y ' de 31 !olpes por capa2 de-ar saturando una muestra de 4', de '1 y de 31 !olpes por capa. 1. ?ara cada molde retirar la base, el collar y el disco espaciador, pesar el molde con el suelo compactado y determinara el peso unitario total del suelo. ). olocar un disco de papel filtro sobre la base, invertir la muestra y ase!urar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel filtro. ?ara muestras no saturadas, llevar a cabo los pasos C a 4(8 C. olocar suficientes pesas ranuradas +no menos de *.3 !/ sobre la muestra de suelo para simular la presión de sobrecar!a requerida. 5. olocar la muestra en la máquina de compresión y sentar el pistón sobre la superficie de suelo utilizando una car!a inicial no mayor de *.3 !. Ri-ar el cero en los deformímetros de medida de car!a y de penetración +o deformación/. 4(. >acer lecturas de deformación o penetración y tomar las respectivas lecturas del deformímetro de car!a. 0truir la muestra del molde y tomar dos muestras representativas adicionales para contenido de umedad. ?ara muestras saturadas, llevar a cabo los pasos 44 a 4)8 44. olocar la placa perforada con el vásta!o a-ustable sobre el suelo compactado y aplicar suficientes pesas para obtener la sobrecar!a deseada, cuidando que no sea inferior a *.3 !. #se!urarse de usar un disco de papel filtro entre la base perforada del vásta!o y el suelo para evitar que el suelo se pe!ue a la base del vásta!o. 4'. Sumer!ir el molde y las pesas en un recipiente de a!ua de forma que el a!ua ten!a acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y a-ustar el deformímetro de carátula +con lecturas al (.(4 mm/ en su respectivo soporte2 marcar sobre el molde los puntos donde se apoya el soporte de forma que pueda removerse y volver a colocarlo sobre el molde en el mismo sitio cuando se desee acer una lectura. 46. #-ustar el cero del deformímetro de epansión y re!istrar el tiempo de comienzo del ensayo. $omar las lecturas a (, 4, ', *, C, 4', '*, 61, *C, )' y 51 oras de tiempo transcurrido2 el ensayo de epansión puede terminarse después de *C oras si las lecturas en el deformímetro de epansión se mantienen constantes por lo menos durante '* oras. 4*. #l final de las 51 oras de inmersión, sacar la muestra y de-arla drenar por espacio de 43 min2 secar completamente la superficie superior de la muestra con toallas de papel. 43. ?esar la muestra sumer!ida incluyendo el molde. GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 27


41. ealizar los pasos C al 4( para cada muestra. 4). $omar muestras para contenido de umedad de las muestras saturadas de la si!uiente forma8 ' dentro de los 6 cm superiores del suelo ' dentro de los 6 cm inferiores del suelo ' en el centro de la muestra de suelo.

C3l%lo" 4. ibu-ar una curva de resistencia a la penetración +en libras por pul!ada cuadrada ] FpsiG ó F?aG/ versus la penetración +en pul!adas ó mm/ de las probetas compactadas a 4', '1 y 31 !olpesBcapa +:ráfico '/. 0n un mismo !ráfico las muestras secas y en otro las muestras saturadas. ibu-ar posteriormente estas curvas en un mismo !ráfico con el fin de comparar las resistencias secas y saturadas. '. 0n cada !ráfico, saturado y no saturado, encontrar la resistencia a la penetración de cada una de las curvas para los valores de penetración de (.4<, (.'< y (.6<. 6. alcular el A se!=n la fórmula de definición +epuesta anteriormente/, considerando las car!as patrones de cada penetración +6(((, *3(( y 3)(( FpsiG para (.4<, (.'< y (.6< respectivamente/. onocidas las densidades secas a las cuales cada probeta de 4', '1 y 31 !olesBcapa queda confeccionada, dibu-ar la curva A +;/ versus densidad seca +!Bcm6/ +una curva para las muestras secas y otro para las muestras saturadas/ para cada una de las penetraciones +:ráfico 6/. *. @btener el porcenta-e real de A a la que el suelo se encuentra mediante la intersección de la curva de densidad ?roctor a los ' F!rBcm 6G.



Gr3)io 2. C%r#a $e re"i"!enia a la (ene!rai*n #" (ene!rai*n.

Gr3)io &. C%r#a CBR #" $en"i$a$ "ea.

reg%n!a" 0stas pre!untas no necesitan responderlas en el informe. 0stán aquí planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control. 0nsayo de ompactación 4. Ye qué factores depende la eficacia de la compactación[ Yuáles de estos factores se estudian en el laboratorio mediante el ensayo de ?roctor[ '. Una muestra de arcilla se compacta con la umedad óptima y otra muestra de la misma arcilla con la umedad menor a la óptima. Una vez compactadas se sumer!en en a!ua. Yuál muestra absorberá más a!ua para lle!ar a saturarse[ Yuál de las dos toma más tiempo en saturarse[ 6. Ud. realiza dos ensayos ?roctor en una arcilla muy plástica8 uno, a!re!ando el a!ua de compactación, mezclándola con la muestra y procediendo de inmediato a compactarla en el molde2 el otro, de-ando antes la mezcla +cubierta con un pa"o =medo/ reposar durante '* oras. Y@btendría la misma curva densidad seca vBs umedad para ambos casos[ *. Y0l !rado de compactación de una arena, compactada en seco y en estado saturado, es virtualmente el mismo[ 0plique. 0nsayo A GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 29


3. Y0s posible obtener en terreno un A mayor que 4(([ 0plique. 1. Se desea construir un camino en #rica. Yecomendaría acer un ensayo de A para condición saturada[ ). Y?or qué es necesario medir la epansión de la muestra saturada[ C. Sabiendo que un camino está compuesto por varias capas +base, sub9base, capa asfáltica, etc./ y que las tensiones verticales se disipan con la profundidad, Yqué capas cree Ud. +superiores o inferiores/ deben tener un A más alto[

Bi5liogra)ía 4. Lambe, $. N. Soil $estin! for 0n!ineers, 4534, capítulo K. Aiblioteca II0%. '. Laboratory Soil $estin!, epartment of te #rmy, U.S.#., 4513, #péndice KI. Aiblioteca II0%. 6. 0art %anual, Aureau of eclamation, enver, olorado, 4516. Aiblioteca entral 0sc. In!eniería, Aiblioteca II0%. *. Soil %ecanics Laboratory, >arvard University, 4513. Aiblioteca II0%. 3. oVles \osep 0. %anual de Laboratorio de Suelos en In!eniería ivil. Aiblioteca II0%. 1. ^ezdi2 #rpad. Soil $estin!, 45C(. Aiblioeca II0%.

GUIA DE LABORATORIO Nº  ENSA-O DE CONSOLIDACION Generali$a$e" Se conoce en !eotecnia el término consolidación como el traspaso lento de car!a del a!ua a la estructura de suelo en el tiempo. 0sto ocurre cuando un suelo coesivo, es decir de ba-a permeabilidad, es sometido, ba-o condiciones saturadas a un incremento de car!a. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incremento de car!a eterior lo toma inte!ralmente el a!ua en el ensayo de laboratorio debido a que ésta es incompresible y el suelo se encuentra confinado. #l no eistir deformación lateral, el ensayo de consolidación es un ensayo de compresión 49. 0n el a!ua se inducen ecesos de presión neutra por sobre las idrostática. #l cabo de un tiempo t, parte de este eceso de presión neutra es disipado, transfiriéndose esa parte de la car!a a la estructura de suelo que se manifiesta como un incremento de las tensiones efectivas. Los asentamientos de una car!a aplicada sobre un estrato de arcilla saturada están asociados a estos incrementos de tensiones efectivas. uando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo !ranular, o cuando la car!a se aplica a un suelo fino seco +o con reducido !rado de saturación/, el proceso de deformación con reducción en el índice de vacíos tiene lu!ar en un período tan corto



que no corresponde instantáneo.

el término consolidación ya que el proceso es prácticamente

Fa"e" $e la Con"oli$ai*n 0l proceso de consolidación se estudia en dos niveles8

a Con"oli$ai*n rimaria ?ermite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la car!a es totalmente transferida a la estructura de suelo. 0sta etapa es representada por la curva de consolidación. 0n al!unos suelos eiste una consolidación secundaria que es necesario tomar en cuenta y corresponde a las deformaciones acumuladas después de que se completa la consolidación primaria y ocurre sin incrementos de la tensión efectiva.

5 roe"o Tran"ien!e 0ste proceso corresponde a la transferencia !radual de los ecesos de presión neutra a la estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del ensayo de laboratorio, la variación de los asentamientos en el tiempo, así como las presiones neutras y tensiones efectivas en cada punto de la masa de suelo, i!ualmente en el tiempo.

Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada +arcilla T/ o preconsolidada +arcilla ?/. Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca fue sometida en su pasado !eoló!ico a car!as mayores que las eistentes aora en terreno. ?or otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado car!ada por estratos de suelo que fueron posteriormente erosionados, o por car!as de ielo en una época !lacial, se la denomina preconsolidada +también eiste la preconsolidación por secamiento o por descenso de la napa freática con posterior recuperación/. 0ste ensayo permite i!ualmente determinar si el suelo analizado es una arcilla T o una arcilla ? tras comparar la tensión efectiva que la muestra tiene en terreno +a partir de la estrati!rafía y profundidad de la muestra/ con la presión de preconsolidación que, como se verá más adelante, se obtiene de la curva de consolidación.

E%i(o" •

consolidómetro +también llamado edómetro/

•

deformímetro

•

equipo de car!as

•

cronómetro



elementos necesarios para el moldeo de la muestra

roe$imien!o 4

Sobre una muestra inalterada, moldee cuidadosamente una cilindro dentro de un anillo de consolidación +consolidómetro/2 de la raspadura resultante del proceso de moldeo, tome una muestra representativa y utilícela para determinar el contenido de umedad2 en esta etapa se debe también obtener sobre la misma muestra inalterada el valor del índice de vacíos eo, para lo cual se debe determinar el peso unitario del material inalterado2 con el valor de : s y V, ya medidos, se obtiene el índice de vacíos eo.

'

coloque cuidadosamente la muestra de suelo en el anillo con piedras porosas saturadas en contacto con las caras superior e inferior2 ase!=rese de que las piedras porosas entren en el anillo y no aya posibilidad de contacto entre las piedras porosas y el anillo durante el proceso de car!a,

6

coloque el consolidómetro en el aparato de car!a y a-uste el deformímetro2 recuerde que para las lecturas debe considerarse una posible compresión de la muestra de * a 4' mm.

*

aplique una car!a de inicialización de (.(3 !Bcm' para suelos blandos y de (.4( para suelos firmes2 verifique nuevamente que las piedras porosas no se apoyen sobre el anillo2 coloque el deformímetro en (,

3

aplique el primer incremento de car!a +car!a adicional suficiente para desarrollar el primer incremento de car!a/ y simultáneamente tome lecturas de deformación a tiempos de (.'3, (.3(, 4, ', *, C, 43, 6(, 1(, 4'( min., y a continuación por e-emplo, *, C, 41, oras, etc. asta que las variaciones de lecturas de deformación resulten muy peque"as,

1

después de '* oras o como se aya establecido, o cuando el _> entre dos lecturas sea suficientemente peque"o, incrementar la car!a y nuevamente tomar lecturas a intervalos de tiempo controlados como en el paso anterior2 si se utiliza el proceso de ensayo 7rápido<, se deben tomar suficientes tiempos en las lecturas en el tercero y cuarto incremento de car!a, para establecer la pendiente que permitirá calcular la consolidación secundaria,

)

contin=e incrementando car!as y tomando lecturas de deformación versus tiempo asta lle!ar a la car!a que el instructor les indique,

C

al final del eperimento, coloque la muestra en el orno, incluyendo todas las partículas que se ayan caído fuera del anillo, para obtener el peso de los sólidos NS y obten!a por diferencias el volumen final de a!ua K Vf 2 compare NS con el valor calculado a partir del contenido de umedad inicial en el paso 4 +si se izo la determinación del contenido de umedad/.



Con"oli$ai*n rimaria e acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidación, +ver fi!ura 4/. 0sta curva representa el fin de la transferencia de car!as desde los ecesos de presión neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el fin del proceso de consolidación primaria. # partir de esta curva ] siempre que ella sea representativa del estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidación sobre diferentes muestras inalteradas del mismo estrato 9 se puede calcular el asentamiento final de un estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a un incremento de car!a _q J _`. 0l asentamiento está dado por8

S

=

>⋅ 4

+

eo

 σ b + ∆σ b   Lo! b  σ   vo

vo

donde S8

asentamiento del estrato de suelo +arcilla o suelo fino saturado/

>8

espesor del estrato de suelo

eo8

índice de vacíos inicial

`vo8

tensión vertical efectiva inicial +antes de la aplicación de sobrecar!a/

_` 8

incremento de tensión efectiva +o sobrecar!a/, la cual producirá la consolidación

 J c índice de compresibilidad que es la inclinación de la recta vir!en de la curva de consolidación en escala semi9lo!arítmica ?ara el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, eistirán dos casos posibles. +a/ 0l primero corresponde a un incremento de car!a tal, que sumado a la tensión vertical efectiva eistente +a la profundidad que se obtuvo la muestra/ no supera la presión de preconsolidación +calculada !ráficamente como se indica en Ri!ura 4/. 0n este caso se utiliza la misma fórmula anterior, pero con el valor de  J  r +índice de recompresión/ +b/ 0l se!undo caso se refiere a un incremento de car!a que sumado a la tensión vertical efectiva eistente +a la profundidad de la muestra/, supera la presión de preconsolidación. 0n este caso la fórmula contendrá dos términos, uno que corresponde a la deformación se!=n la curva de recompresión y el otro a la deformación se!=n la curva vir!en. •

,9!o$o $e Ca"agran$e (ara la De!erminai*n Gr3)ia $e la Ten"i*n $e reon"oli$ai*n?  (.

0n el !ráfico e ] Lo! ` v8



4. Ubicar punto 4, punto de máima curvatura '. $razar la recta ', tan!ente por el punto 4 6. $razar la recta 6, orizontal por el punto 4 *. $razar la bisectriz de la recta tan!ente ' y la orizontal 6 3. ?rolon!ar recta de la curva vir!en o curva normalmente consolidada 1. La intersección de las rectas * y 3 determina en abscisas el valor de ` pc

Ensayo de Consolidación

! # ] [ e , s o í c a v e d e c i d n I

$

"



%

0$1

1

&c'

Tensión Vertical Efectiva,

10 v'

100

[kg/cm²]

FIGURA 1 CURVA DE CONSOLIDACION Fin $e Con"oli$ai*n rimaria De!erminai*n Gr3)ia $e la re"i*n $e reon"oli$ai*n?  ( •

E"!a5leien$o "i la Arilla e" NC o C



ebemos comparar la tensión vertical efectiva de terreno, `vo con la tensión de preconsolidación, ` pc, para saber si la arcilla está normalmente consolidado +T/ o preconsolidada +?/. •

Si `vo  ` pc se trata de una arcilla T Si `vo M ` pc si!nificativas

se trata de una arcilla ?, siempre que estas diferencias sean

0n la curva de consolidación +fi!ura '/8 4. Ubicar ` pc. '. Ubicar el punto +`vo, eo/, tensión vertical efectiva de terreno e índice de vacíos en terreno. 6. Ubicar el punto (.* e o en la prolon!ación de la recta de car!a normalmente consolidado, también denominada curva vir!en. *. Unir con una recta los puntos ' y 6. 0l valor absoluto de la pendiente de esta curva es el Indice de ompresibilidad,  c.

Ensayo de Consolidación

!

" 

vo '

, eo (

e

$

=

C

e! + e " log σv!' + log σv" '

# )*$ eo

0$1

1

&c '

Tensión Vertical Efectiva,

10 v'

[kg/cm²]

FIGURA 2 CURVA DE CONSOLIDACION


100


De!erminai*n Gr3)ia $el In$ie $e Com(re"i5ili$a$ C  •

,9!o$o" $e De!erminai*n $el Coe)iien!e $e Con"oli$ai*n?  #

a ,9!o$o $e Ta+lor 0n el !ráfico deformación vs raíz cuadrada del tiempo +Ri!ura 6/8 4. $razar la me-or recta que pasa por los primeros puntos del !ráfico '. La intersección entre la recta definida en 4 con el e-e de las abscisas, define una distancia 7a<. 6. Se define en el e-e de las abscisas el punto # distanciado del ori!en en 4.43# *. Se une el punto ( y #. 3. La intersección de esta recta con la curva define el valor t5( en el e-e de las abscisas. 1. on este valor de t5( calcular el coeficiente de consolidación con la fórmula8 cK

=

$K + U = 5(;/ ⋅ > ' t 5(

donde $v +factor tiempo/ para +U J 5(;/ J (.C*C > J D la altura inicial de la muestra +ya que eiste doble drena-e/



,r-fico .eformación en f/nción del Tiem&o

4

)'

0o

] m m [

3/estra

$

+

o

0 1 0

! #

"%& ' 0$1 ()*cm+

 t2) 5

a "

FIGURA &

!*! a

tiem&o

CURVA DEFOR,ACION VERSUS RAI DE TIE,O De!erminai*n Gr3)ia "egHn Ta+lor $e ! J

v se calcula para todos los incrementos de car!a del ensayo, lo cual permite !raficar c v en función de ` v. 0l valor de c v a utilizar será aquel correspondiente al incremento de car!a que se tendrá en terreno, es decir, desde ` vo a la tensión vertical efectiva final.

5 ,9!o$o $e Ca"agran$e 0n el !ráfico deformación vs lo! t +fi!ura */8 4. 0n la parte inicial parabólica de la curva marcar t 4 +si la parte inicial no es parabólica, utilizar ( asociado a t J ( y se!uir en el paso */ '. %arcar t' J * t4. efinidos t 4 y t', ellos determinan sobre la curva la distancia vertical _. 6. ibu-ar la distancia '_, y encontrar ( en el e-e de las ordenadas. *. ibu-ar la proyección orizontal del final de la curva de deformación e intersectarla con el e-e de las ordenadas, punto que define  4((. 3. 0ncontrar 3(, como la distancia promedio entre  ( y 4(( en el e-e de las ordenadas. 1. ?royectar 3( en la curva de deformación y encontrar t 3( en el e-e de las abscisas. ). alcular cv como8 GUIA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS 37


cK

=

$K + U = 3(;/ ⋅ > ' t 3(

donde $v es el factor tiempo para U J 3(; y tiene el valor (.45) > J D la altura inicial de la muestra +doblemente drenada/

r-fico .eformación + 0ogtiem&o( #

.)

4

"

0o

"

3estra

] m m [ +

o

0 1 0

! .)



% "%& ' 0$1 ,)*cm+

$ .!)) 1 t!

t"

t10 )

t!))

100

1000

Tiem&o

FIGURA 6

CURVA DEFOR,ACION VERSUS LOGARIT,O TIE,O De!erminai*n Gr3)ia "egHn Ca"agran$e $e ! J

reg%n!a" 0stas pre!untas no necesitan responderlas en el informe. 0stán aquí planteadas para que ustedes razonen al respecto, ya que pueden ser temas del control. 4. escriba un procedimiento en laboratorio que permita demostrar que la arcilla tiene una memoria que revela la car!a máima a la que a sido sometida '. YZué entiende usted por eceso de presión de poros en el proceso de consolidación[ 6. YZué entiende usted por un suelo no consolidado[ Y0s posible encontrar en terreno un suelo fino no consolidado[


Manual de Laboratorio de Mecanica de Suelos

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